Москва 2008

Введение

Среда называется упругой, если её деформация связана с напряжением законом Гука, устанавливающим локальную, однозначную и линейную связь между этими величинами. В случае тонкого однородного стержня длины l, к концам которого приложено напряжение σ (рис. 1), направленное вдоль оси стержня, закон Гука имеет вид:

;

σ σ

Рис. 1

где E – модуль Юнга, - изменение длины стержня под действием приложенной нагрузке. Любая среда в области малых деформаций с определённой точностью может рассматриваться как упругая.

В упругой среде существует особый вид движения – волновое движение, в процессе которого происходит пространственный перенос колебательного движения элементов среды. Передача колебательного движения от одного элемента среды к другому осуществляется благодаря силам упругости, возникающим в среде при деформации. Можно сказать, что волна осуществляет перенос локальных возмущений среды. При этом отсутствует перенос массы, а передача энергии происходит за счёт работы сил упругости.

В жидкостях и газах, где отсутствует упругость формы (при изменении формы жидкости или газа силы упругости равны нулю, если объем среды сохраняется постоянным), возможны только продольные волны, в которых колебания элементов среды происходят в направлении распространения волны. В твердых телах наблюдаются как продольные, так и поперечные волны, где колебания элементов происходят в плоскости, перпендикулярной распространению волны. Следует отметить, что в ограниченных твёрдых телах всегда возбуждаются волны только смешанного типа.

В диагностике и метрологии используют ультразвуковые волны с частотами колебаний от до , с интенсивностями в пределах от до . Отметим, что порог слышимости для человека соответствует интенсивности ~ , а порог болевых ощущений
~ .

Для возбуждения ультразвука низкой частоты применяются магнитоупругие преобразователи, в которых в которых возбуждение волн осуществляется с помощью переменного во времени магнитного поля, вызывающего деформацию ферромагнетика. В области средних , а также высоких частот применяются пьезоэлектрические преобразователи, где возбуждение волны происходит благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту (переменное во времени электрическое поле вызывает деформацию пьезоэлектрического кристалла). Управление частотой ультразвука осуществляется с помощью частоты колебаний магнитного или электрического поля.

Для увеличения интенсивности возбуждаемых волн используется явление резонанса на частотах собственных колебаний ферромагнетика и пьезоэлектрика, фокусировка ультразвука с помощью зеркал из кварца или пьезокерамики, а также стержневые концентраторы в виде звукопровода с постепенно уменьшающейся площадью поперечного сечения или плотностью материала.

Использование ультразвука в диагностике, локации и дефектоскопии основано на явлении отражения ультразвука при его попадании на резкую границу раздела двух сред. Если плоская упругая волна нормально падает на плоскую поверхность раздела двух сред, то интенсивность отраженной волны связана с интенсивностью падающей волны энергетическим коэффициентом отражения:

;

где - удельный акустический импеданс среды, из которой падает волна, плотность этой среды, а скорость звука в данной среде, - удельный акустический импеданс отражающей среды, плотность отражающей среды и скорость звука в отражающей среде.

Если или , и наблюдается сильное отражение, позволяющее с помощью отраженной волны получить информацию об объекте, на котором наблюдается отражение. Для регистрации сигнала необходимо, чтобы расстояние между приемником отраженной волны и объектом существенно не превышало характерную длину поглощения ультразвука в данной среде. Отметим, что поглощение ультразвука в воздухе увеличивается при наличии в нём водяных паров, а в воде при наличии воздушных пузырьков.

I.Описание установки

В настоящей работе используется медицинский прибор, называемый эхоэнцефалоскопом ЭЭС – 12. Он предназначен для получения информации о расположении и характере структур головного мозга и измерения их линейных размеров методом ультразвуковой локации.

Рабочие частоты составляют 0,88 МГц ± 5% и 1,76 МГц ± 5%. Предельная разрешающая способность не хуже 6,8мм для частоты 0,88 МГц и 3,4 мм для частоты 1,76 МГц. Диапазон измерения линейных размеров 20 – 160 мм. Пределы допускаемой погрешности измерения линейных размеров ± (1 + 0,05 L), где L – измеряемый линейный размер в миллиметрах. Максимальная глубина ультразвукового зондирования не менее 150 мм, минимальная не более 80мм.

Прибор работает от сети переменного тока частотой 50 Гц с номинальным напряжением в сети 220В при допустимых отклонениях напряжения в сети ± 22 В. Средняя наработка на отказ не менее 2000 часов.

Данный прибор укомплектован зондами в пластмассовом корпусе:

- черный корпус – зонд Ø26 – 0,88 МГц,

- синий корпус – зонд Ø26 – 1,76 МГц.

В качестве источника ультразвуковых колебаний используется пьезопреобразователь (ультразвуковой зонд), который может преобразовывать энергию электрических колебаний в энергию механических колебаний или наоборот – энергию механических колебаний в энергию электрических колебаний.

Ультразвуковая диагностика проводится в импульсном режиме излучения. Ультразвуковой зонд излучает импульсы ультразвуковых колебаний через равные промежутки времени. Если зонд приложить к исследуемому объекту через согласующий слой, обеспечивающий эффективное прохождение ультразвука в объект, то, проходя через объект, ультразвук частично отразиться на неоднородностях среды, а частично пройдёт через среду. В соответствии с тем, какие сигналы (отраженные или прошедшие) используются для получения измерительной информации, различают два режима работы: локационный и трансмиссионный. В локационном режиме работы ультразвук частично отражается от встречающихся на его пути неоднородностей, что позволяет по известной скорости распространения ультразвука определить месторасположения неоднородностей. При работе в трансмиссионном режиме прошедший через объект ультразвук принимается вторым зондом, расположенным с противоположной стороны объекта. Таким методом при известной скорости распространения ультразвука можно определить протяженность объекта в направлении распространения ультразвука или определить неизвестную скорость ультразвука в объекте, если известна протяженность объекта.

В зависимости от режима работы отраженные или прошедшие сигналы поступают на приёмник, усиливаются в видеоусилителе и поступают на электронно-лучевую трубку, где воспринимаются в виде вертикальных импульсов (эхограмма). Расположение импульсов по горизонтальной оси определяется временем, необходимым для прохождения ультразвука через исследуемый объект или до исследуемого объекта и обратно. Для определения глубины расположения неоднородности или размера исследуемого объекта измеряется расстояние до соответствующего импульса на эхограмме. Измерение производится с помощью метки, вырабатываемой генератором.

1 10 11 2 12

3 4 5 6 8 7 9

Рис. 2

Лицевая панель (рис 2).

1. Экран электронно-лучевой трубки.

2. Прорезь с данными объекта.

3. Кнопки «Сеть-Выкл» служат для включения и выключения прибора.

4. Ручка «Масштаб» регулирует масштаб изображения.

5. Ручка ↕ используется для управления лучом по вертикали.

6. Ручка ↔ используется для управления лучом по горизонтали.

7. Кнопками «Э – Т» производится переключение режима работы.

8. Ручка «Я» используется для управления яркостью изображения на экране.

9. Ручка «Ф» используется для фокусировки эхограммы.

10. Ручка «Мощность» используется для плавного регулирования мощности, подаваемой на ультразвуковой зонд

11. Ручка «Усиление» используется для плавного регулирования усиления приёмника.

12. Ручка «Измерение» используется для совмещения среза метки с фронтом сигнала.

II. Подготовка прибора к работе

1. Подключите высокочастотные кабели к разъемам «Э» и «Т», которые расположены в углублении на правой стенке прибора.
2. Выберите необходимые для работы ультразвуковые зонды и подключите их к высокочастотным кабелям.
3. Установите исходное положение ручек на лицевой панели:

«Мощность» - крайнее левое

«Усиление» - крайнее левое

«Ф» - среднее

«Я» - среднее

«Ограничение» - крайнее левое

«Масштаб» - любое

«↕», «↔» - среднее

«Сеть-Выкл» - выкл

1. Тумблер «~», «−» на задней стенке установить в положение «~» (питание от источника переменного тока).
2. Включите прибор и дайте ему прогреться в течении 5 минут.
3. Поверните ручку «Я» регулировки яркости по часовой стрелке до появления на экране достаточно яркой горизонтальной линии развертки.
4. Поворачивая ручку фокусировки «Ф», добейтесь получения четкого изображения линии развертки. Положение линии развертки на экране трубки может регулироваться по вертикали и горизонтали с помощью ручек «↕» и «↔».
5. Установите необходимый масштаб изображения. Для этого поставьте указатель шкалы «Измерение» на 160. Ручкой «Масштаб» установите изображение метки в крайнюю правую часть экрана.
6. Переключите переключатель режима работ «Э» - «Т» в положение, соответствующее необходимому режиму работы.

III. Выполнение работы

Работа № 1. Определение скорости ультразвука в воде.

Заливаем в ванну дистиллированную воду. Вместо дистиллированной воды можно залить прокипяченную воду или просто отстоявшуюся, это делается для того чтобы уменьшить количество выделяющихся из воды пузырьков воздуха. Пузырьки воздуха, осевшие на поверхности излучателя, препятствуют прохождению ультразвукового пучка в воду. С помощью системы позиционирования расположим тонким слоем металлические проволоки отражающих объектов на пути распространения ультразвукового пучка перпендикулярно его оси. Расстояние между проволоками желательно выставить в пределах 40 - 60 мм. Включить эхоэнцефалограф в режим «локационный». Используя элементы настройки прибора получить на экране 3 хорошо различимых импульса положительной полярности (генераторный и два импульса отражённых от 2-х проволок).

Для определения расстояния между объектами используется временная метка, перемещающаяся по эхограмме с помощью измерительного устройства, проградуированного в миллиметрах.

Последовательно подводя измерительный импульс (3) к импульсам (1) и (2) от первой и второй проволоки определим по шкале прибора расстояние между проволоками. Прибор отградуирован на скорость ультразвука 1500 м/сек. Если расстояние между проволоками, измеренное по оси ультразвукового пучка, примерно соответствует расстоянию, измеренному по шкале прибора, то это значит, что скорость распространения ультразвука в воде, измеренная на приборе ЭЭС-12, составляет 1500 м/сек ± погрешность прибора и методики измерения.

Работа №2. Определение скорости ультразвука в неизвестной жидкости.

а) Заливаем в ванну исследуемую жидкость.

б) С помощью системы позиционирования расстояние между отражающими металлическими проволоками выставим в пределах 40-60 мм.

в) Аналогично методике, приведенной в работе №1, определим расстояние между двумя проволоками по шкале прибора. Если расстояние, измеренное по шкале прибора, отличается от расстояния, измеренного непосредственно между проволоками, то значит отличается и скорость распространения ультразвука в исследуемой жидкости от скорости 1500 м/сек в обратной пропорциональной зависимости.

После определения скорости ультразвука в исследуемой жидкости сравнить по справочнику чему соответствует эта жидкость.

P.S. Данное исследование можно провести компенсационным методом. Для этого измеряют по шкале прибора расстояние между двумя проволоками, заливают другую (исследуемую) жидкость и сравнивают с новым измеренным по шкале прибора значением. Два измеренных значения будут обратно пропорциональны скоростям ультразвука в этих средах.

Работа№3. Определение скорости ультразвука в неизвестной пластмассе.

Для проведения этой работы используется цилиндрический пластмассовый образец с отшлифованными торцами. Для проникновения ультразвукового пучка в тело образца необходимо контактирующую поверхность смазать какой-либо жидкостью. Это делается для того, чтобы между контактирующими поверхностями не было воздушного промежутка. На границе воздух-пластмасса или излучатель-воздух отразится почти 100% излучаемой мощности и ничего не попадёт в образец.

К образцу плотно прижимается излучающая поверхность датчика. С помощью регулирующих элементов добиваются на экране 3-х импульсов: генераторного; 1-го, отраженного от нижнего торца образца и 2-го, отраженного от нижнего торца. Измеряют по шкале прибора расстояние между первым и вторым отражённым импульсом. Соотношение между величиной, замеренной непосредственно на образце, и величиной расстояния, замеренной по шкале прибора, будет соотношением между скоростью ультразвука в данной пластмассе и скоростью, равной 1500 м/сек.

Работа №4. Определение диаграммы направленности излучателей датчиков в жидкости.

1. Заливаем в ванну дистиллированную воду (или прокипяченную).

2. Отражающий объект в виде металлической проволоки расположим приблизительно перпендикулярно оси ультразвукового пучка на расстоянии, начиная с 10 мм от поверхности датчика.

3. С помощью системы позиционирования найдём максимальный отражённый сигнал, не ограниченный на экране индикатора.

4. Перемещая относительно ванны и закреплённого на ней датчика отражающий объект (проволоку), добьёмся того, чтобы величина амплитуды отражённого сигнала на экране индикатора уменьшилась примерно в 10 раз в обе стороны от положения максимума. Эти перемещения от максимума измерить по линейке, закреплённой на краю ванны.

5. Изменить расстояние от поверхности датчика до отражающей проволоки на величины последовательно 30 мм, 50 мм, 70 мм и проделать измерения аналогично предыдущему пункту.

6. Провернуть датчик в крепящем устройстве на 90º и проделать все предыдущие измерения для различных расстояний до датчика.

Результаты измерений занести в таблицу.

IV. Выключение прибора

1. Ручки «Мощность», «Усиление» и «Ограничение» поставьте в крайнее левое положение.

2. Переключатель «Сеть-Выкл» поставьте в положение «Выкл».

Дата добавления: 2015-07-20